WS 2010/2011

Diplomvorprüfung Elektronik
Hochschule München
FK 03 Fahrzeugtechnik
Zugelassene Hilfsmittel:
Taschenrechner,
zwei Blatt DIN A4
eigene Aufzeichnungen
Diplomvorprüfung WS 2010/11
Fach: Elektronik, Dauer: 90 Minuten
Matr.-Nr.:
Name, Vorname:
Hörsaal:
Unterschrift:
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G. Buch, P. Klein
T. Küpper, W. Stadler
Aufgabe 1 (ca. 15 Punkte)
Eine Glühlampe (ohmscher Widerstand RL = 60Ω)
wird über einen Transistor angesteuert. Die Betriebsspannung beträgt UB = 12V. Die Spannung USt wird
von einem Steuergerät geliefert, der Wert des BasisVorwiderstands beträgt RV = 285Ω.
1.1. Zeichnen Sie die Arbeitsgerade in das Ausgangskennlinienfeld des Transistors.
1.2. Die Glühlampe soll mit reduzierter Helligkeit
leuchten, sie wird zu diesem Zweck vom Steuergerät 50 mal pro Sekunde ein- und ausgeschaltet. Die nebenstehende Abbildung zeigt
den Verlauf des Basisstroms IB.
Zeichnen Sie die Arbeitspunkte des eingeschalteten Transistors (also bei IB = 15 mA) in die
Ein- und Ausgangskennlinien.
1.3. Wie groß ist die Basis-Emitter-Spannung des
Transistors bei eingeschaltetem Basisstrom IB?
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1.4. Mit welchem Übersteuerungsfaktor wird der Transistor eingeschaltet?
1.5. Wie groß ist die Spannung USt bei eingeschaltetem Transistor?
1.6. Welche Verlustleistung PVerl geht am eingeschalteten Transistor als Wärme verloren?
1.7. Die Helligkeit der Glühlampe kann natürlich auch ohne Verwendung eines Transistors reduziert werden: Die Lampe wird dazu in Reihe mit einem Widerstand von 25Ω an die Betriebsspannung UB = 12V angeschlossen. Wie groß ist hier die Verlustleistung, die am 25Ω-Widerstand als
Wärme verloren geht?
1.8. Nun wird eine andere Lampe mit einem ohmschen Widerstand RL' = 12Ω in die oben gezeigte Transistorschaltung eingebaut. Welcher Strom IC' fließt durch die neue Lampe, wenn diese
vom Steuergerät eingeschaltet wird? (Es gilt weiterhin IB = 15mA.)
1.9. Welche Verlustleistung PVerl' geht im Unterpunkt 1.8 am Transistor als Wärme verloren?
1.10. Muss RV vergrößert oder verkleinert werden, damit der Transistor auch in Unterpunkt 1.8 in
Sättigung bestrieben und die Glühlampe sicher eingeschaltet wird? Wird die Verlustleistung am
Transistor dadurch vergrößert oder verkleinert? (Kurze Begründungen erforderlich!)
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Aufgabe 2 (ca. 15 Punkte)
Mit der skizzierten Vierspitzenmethode kann
man die spezifische Leitfähigkeit von Halbleiterscheiben sehr einfach bestimmen. Dazu wird
über die äußeren beiden aufgesetzten Kontaktnadeln der Strom I eingeprägt. Der daraus resultierende Spannungsabfall U zwischen den inneren Spitzen wird gemessen.
Für den Fall, dass die Dicke d der Halbleiterscheibe sehr viel kleiner ist, als der Abstand s der Messspitzen ergibt sich die spezifische Leitfähigkeit nach der Formel
κ
I
 ln 2
πdU
Die spezifische Leitfähigkeit eines dünnes Si-Halbleiterplättchen, welches mit einem Akzeptor dotiert
ist, wird so bei Raumtemperatur ermittelt. Gegeben sind folgende Daten:
Dicke d = 400m, Strom I = 5mA, gemessene Spannung U = 100mV und die Halbleitereigenschaften
ni = 1,5·1010cm-3, n = 1350cm2/Vs, p = 480cm2/Vs, Elementarladung e = 1,6·10-19C.
2.1. Berechnen Sie die spezifischen Leitfähigkeit  der Si-Scheibe sowie die Akzeptordichte NA.
(Hinweis: Der Einfluss der Minoritätsträger darf bei der Berechnung vernachlässigt werden.)
Ersatzwert: NA = 4 . 1015cm-3
16
-3
2.2. Obiges Si-Plättchen wird nun zusätzlich mit einem Donator ND = 10 cm dotiert. Welche Spannung U würde man nun bei sonst unverändertem Versuchsaufbau messen?
2.3. Wie verändert sich grundsätzlich die Spannung U, wenn der Halbleiter während der Messung
stark erwärmt wird und warum?
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2.4. Vervollständigen Sie in der nachstehenden Tabelle die Funktionsweise und eine mögliche Anwendung aufgelisteter Bauelemente (vgl. Beispiel Feldplatte).
Bauelement
Feldplatte
Effekt/Funktion
Anwendung
Bewegte Ladungsträger werden im magn.
Feld abgelenkt und müssen dadurch längere
Strecke zurücklegen → Widerstand steigt
Magnetfeld-Sensor
Hallelement
Fotowiderstand
(LDR)
Heißleiter
2.5. Skizziert ist das Bänderdiagramm eines p-Typ Halbleiters.
-
Markieren Sie im Diagramm den Bandabstand Eg des Halbleiters.
-
Markieren Sie im Diagramm die Energie E, die notwendig ist, um die Akzeptor-Störstellen
zu ionisieren (also an den Dotierstoffatomen „zusätzliche“ Löcher zu generieren).
-
Der Halbleiter wird zusätzlich mit einem Donator dotiert. Zeichnen Sie in das Bänderdiagramm das Energieniveau ED der Donator-Störstellen ein.
2.6. Welche elektrischen Eigenschaften hat ein Material, dessen Bandabstand so gering ist, dass sich
Leitungsband und Valenzband berühren oder sogar teilweise überschneiden?
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Aufgabe 3 (ca. 15 Punkte)
Gegeben ist die nachstehende Schaltung mit idealen Operationsverstärkern. Die maximale Ausgangsspannung der Operationsverstärker beträgt ±15V.
3.1. Um welche Grundschaltungen handelt es sich bei den Stufen I, II und III? Geben Sie entweder
eine möglichst genaue Beschreibung oder einen mathematischen Zusammenhang zwischen den
Ein- und Ausgangsspannungen in Abhängigkeit von den angegebenen Widerständen an.
Stufe I:
Stufe II:
Stufe III:
3.2. Verstärkerstufe I (mit UE = 5V – konstant! – und R1 = 10 k:
Der Widerstand R2 ist temperaturabhängig. Es soll anhand der gegebenen zeitlichen Verläufe von
Temperatur T am Widerstand R2 und Spannung u1 schrittweise eine Gleichung für R2(T) hergeleitet werden, indem die folgenden Unterpunkte gelöst werden:
a) Erstellen Sie anhand der zeitlichen Verläufe von Temperatur T und Spannung u 1 (siehe Diagramm auf der nächsten Seite) eine Formel zur Berechnung von u1 in Abhängigkeit von der
Temperatur T. (Hinweis: linearer Zusammenhang zwischen Temperatur und Spannung!)
b) Stellen Sie eine Gleichung zur Berechnung der Spannung u1 in Abhängigkeit von R2 auf.
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c) Setzen Sie die Ergebnisse für die Berechnung von u1 aus Aufgabenteil a) und b) gleich und
stellen Sie eine Gleichung auf, mit der Sie R 2 in Abhängigkeit von T berechnen können.
3.3. Verstärkerstufe II (mit R3 = 10 k:
Welche Werte müssen die Widerstände R3 und die (konstante!) Spannungsquelle Ux haben, damit
sich bei vorgegebenem Verlauf von u1 die angegebene Ausgangsspannung u2 einstellt?
Unterpunkt 3.3 komplett gestrichen!!!
3.4. Verstärkerstufe III (mit R5 = 5 k und R6 = 10 k:
Zeichnen Sie den zeitlichen Verlauf von u3 in das Diagramm ein.
T/°C
50
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
t/ms
-50
u1 /V
12,5
10
7,5
5
2,5
t/ms
u2 /V
10
t/ms
-10
u3 /V
10
-10
t/ms
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Aufgabe 4 (ca. 15 Punkte)
In der nebenstehenden Schaltung soll eine empfindliche Verstärkerschaltung (dargestellt durch
den Widerstand RL) durch eine Zenerdiode vor
Überspannung geschützt werden. Die Parameter
des linearisierten Ersatzschaltbildes der Zenerdiode sind UZ0 = 5,5 V, rZ = 2 Ω, Uf = 1,0 V und
rf = 1 Ω.
4.1. Zeichnen Sie die linearisierte ideale Kennlinie IDiode = f(UA) in das Diagramm.
4.2. Die Eingangsspannung Ue kann maximal 15 V betragen. Dimensionieren Sie den Vorwiderstand
RV so, dass die Spannung über der Verstärkerschaltung (UA) 7,5 V nicht überschreitet, wenn kein
Strom durch den Verstärker fließt (Ersatzwert RV = 8 Ω).
4.3. Welche Leistung geht am Vorwiderstand aus Unterpunkt 4.2 im „normalen“ Betriebsfall (Ue =
5,0 V und RL = 10 Ω) in Form von Wärme verloren?
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4.4. Zeichnen Sie für RL → ∞ die am Verstärker anliegende Spannung UA für die zeitlich veränderliche Eingangsspannung UE in das Zeit-Spannungs-Diagramm. Wie groß ist in diesem Fall der
Glättungsfaktor?
UE
G=
4.5. Die Verstärkerschaltung reagiert sehr empfindlich auf negative Eingangsspannungen, Spannungen mit UA < -1,0 V sind kritisch. Am Netzteil können kurzzeitig Spannungen von UE = -3 V auftreten. Wie groß ist die an der Verstärkerschaltung anliegende Spannung UA in diesem Fall?
(Hinweis: Es gilt weiterhin RL = 10 Ω)
4.6. Wie könnte die Schutzschaltung ergänzt werden, um die Spannung UA auf UA > -1,0 V zu limitieren (preiswerte Lösungen bevorzugt!). Ergänzen Sie dazu die Schaltung auf der vorherigen Seite.
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Viel Erfolg!
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